電氣化鐵路Scott牽引變壓器短路特性研究

摘要：該文以電氣化鐵路Scott牽引變壓器為研究對象，根據牽引變壓器磁勢平衡原理與相量分析法，分析了Scott牽引變壓器的電氣運行原理，利用Matlab/Simulink搭建了Scott牽引變壓器供電臂短路仿真實驗平臺，研究了短路工況對Scott牽引變壓器電氣特性的影響，為牽引變壓器的設計提供了理論依據。

關鍵詞：鐵路Scott牽引變壓器短路

中圖分類號：TM41;U224.22文獻標識碼：A? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2022）07（a）-0000-00

Research On Short Circuit Characteristics of Scott Traction Transformer InElectrified Railway

LI Chaoyang

（ Hunan Technical College of Railway High-speed，Hengyang， Hunan Province，421002，China）

Abstract：Scott traction transformer of electrified railway is studied in this paper，According to the magnetic potential balance principle and phasor analysis method of traction transformer， the electrical operation principle of Scott traction transformer is analyzed.The short-circuit simulation experiment platform of Scott traction transformer power supply arm was built by Matlab/Simulink， and the influence of short-circuit condition on Scott traction transformer electrical characteristics was studied， which provided a theoretical basis for the design of traction transformer.

Key Words：Railway; Scott; Traction transformer; Short-circuit

牽引變壓器作為電氣化鐵道的重中之重，是電力機車獲取動力的重要中介。牽引變壓器的主要作用是實現電壓的轉換，把交流電的三相變換為交流兩相，進而輸送給牽引線路。再由各自的單相牽引線路對各自區間的電力機車實施供電[1];然而，短路故障頻發、諧波含量多、牽引線路符合不穩定因素高已成為牽引負荷的顯著特點，因此，牽引變壓器的抗短路能力是極為重要的電氣特性保障[2]。

1 電氣特性原理

單相變壓器的構成及原理較為簡單且高效，將兩個單相變壓器組合在一起就構成了Scott牽引牽引變壓器的主要部分[3]。把其中一臺定義為 座變壓器，將 座變壓器的一次側繞組兩端引出線分別接到三相電源 相、 相和 相的任意兩相，假設M座變壓器接到B、C相;另外一臺變壓器定義為 座變壓器，將其一次側繞組接到三相電源的 相，然后再將 座變壓器的一次繞組的中心點 座變壓器的另一個接線端子相連。采用這種電氣連接方式，就可以將對稱的三相電源變換成兩相電源，且這兩相電源依然是對稱的[4]。電力機車運行于上行區間或者下行區間時，可通過M座牽引變壓器與T座牽引變壓器的供電臂實行雙邊供電[5]。其電氣原理圖如圖1所示。

如圖1所示，用 與 分別表示牽引變壓器M的一次側繞組匝數及其電壓，再從三相電源的B相與C相分別引出接線與M座牽引變壓器的兩個引出線相連;用 與 分別表示牽引變壓器M的一次繞組匝數及其電壓，其變比 ，且向左邊供電臂供電。T座變壓器的一次繞組匝數為M座變壓器匝數的 ，T座變壓器一次繞組電壓為 ，一次繞組的一端與M座的O點（中點）直接相連，另外一端接到三相電源的A相，用為 表示T座變壓器的二次繞組匝數，用 表示T座變壓器的二次繞組電壓，兩個變壓器的變比為 且向右邊的供電臂符合進行供電[6]。如圖1中已將一次側電流與二次側的電流關系進行了表述，一次側與二次側的電壓表達式如下[7]：

由上式的電壓與電流關系可知，在 ，且M座變壓器與T座變壓器的供電臂功率因數相等的前提下，那么Scott牽引變壓器的一次側三相電流大小相等，且 相位超前于 120°， 相位超前于 120°， 相位超前于 120°。

2 Scott牽引變壓器短路特性仿真

2.1仿真平臺搭建

選取交流電源 、 、 模塊模擬三相交流電、三相頻率分析儀（用來將牽引變壓器的一次側電流分量進行分解）等模塊，用接地模塊模擬左右兩邊的供電臂發生短路接地故障，設置三相交流電源電壓為63.51kV（線電壓是相電壓的 倍），三相電源相位各相差120°，電源頻率設置為50Hz，按照Scott牽引器電氣連接關系搭建的仿真平臺如圖2所示，設置仿真算法為ode23tb，設置仿真時間為0.2s，點擊“Run”運行仿真，打開各示波器可觀察相應波形。

2.2 供電臂未短路工況

當機車正常運行，兩供電臂均未發生接地短路故障，設置仿真時間為0.2s，牽引變壓器一次側電壓、電流波形、各序分量及二次側電壓波形分別如圖3至圖7所示。

由圖3可以得出，A相、B相、C相的電壓最大值均為110 kV，A、B、C三相電壓相位各相差120°，即A相超前于B相120°，B相超前于C相120°，C相超前于A相120°。

由圖4可知， 、 、 的最大值均為0.9A，三相電流與三相電壓波形變化趨勢一致， 超前于 ， 超前于 ， 超前于 ，相位也互相相差120°。

由圖5和圖6可知，負序幅值與相位，零序幅值與相位幾乎均為0。

由圖7可知，牽引變壓器二次側電壓為27.5 kV， 相位相差90°，實現了將三相電源變兩相電源。

2.3 供電臂短路工況

供電臂短路仿真模型如圖2所示，當兩供電臂發生接地短路故障時，牽引變壓器一次側電流波形如圖8所示，各序分量如圖9和圖10所示。

由圖8可知，當短路故障發生在供電臂時，會產生巨大的短路沖擊電流，對牽引變壓器的一次側繞組等部件產生較大的危害。 由0.9A陡增到1500A， 由0.9A陡增到2100A， 由0.9A陡增到580A，三相電流不再對稱分布，巨大的短路電流將對牽引變壓器造成損傷，甚至損壞牽引變壓器。

由圖9和圖10可知，與正常工況相比，接地故障發生后，三相電流將不再對稱，同時出現了負序電流分量。

3 結語

當供電臂 ，且M座變壓器與T座變壓器的供電臂功率因數相等時，其一次側三相電流是對稱的，這就使得它的容量可充分使用，還可以實現M與T的兩邊供電，其缺點是造價較高，工程投資也比較大。通過研究短路工況對Scott牽引變壓器電氣特性的影響，為牽引變壓器的設計提供了參考依據。

參考文獻

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作者簡介：李朝陽（1973—），男，碩士，副教授，研究方向為鐵路信號控制。

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2201-5042-4757